选煤厂供电系统中无功补偿技术运用分析

2024-06-09国家能源集团宁夏煤业有限责任公司洗选中心金兆卿

电力设备管理 2024年5期

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司洗选中心王磊金兆卿

就煤矿矿井供电而言，无功补偿技术的应用是为了进一步增强供电稳定性和安全性，以最大限度降低意外事件发生概率，进而更好地保证人员生命安全。无功补偿技术可以有效提升功率因数、减轻系统过载、提高电能利用率、优化生产能耗，从而实现提升煤矿矿井供电系统运行效率和安全性的根本目的。从实际应用的角度出发探讨无功补偿技术应用价值及效果对优化煤矿矿井供电系统的运行、提升煤矿的生产效率、保障煤矿的安全生产具有重要的理论和实践意义。

1 煤矿矿井供电系统的特点

煤矿矿井供电系统是保证煤矿安全生产的重要基础设施，其运行状况直接关系到煤矿生产的安全与效率。与一般工业供电系统相比，煤矿矿井供电系统具有负荷特性复杂、供电线路长、分布广、供电安全要求高等特点。第一，负荷特性复杂。煤矿生产过程中，各种机械设备、照明设备、通风设备等负荷的运行状态会随时变化，负荷的大小、性质（感性、容性或阻性）及分布也会随之改变。第二，供电线路长、分布广。煤矿通常位于偏远地区，供电系统的线路往往较长，负荷分布广泛，这不仅导致电压下降、电能损失大，还可能引起供电系统的动态、静态不稳定。第三，供电安全要求高。煤矿作业环境恶劣，有易燃、易爆的气体存在，因此供电系统必须具有良好的安全保护措施，避免电气火灾、爆炸等安全事故的发生。供电系统的可靠性要求高。煤矿的生产是连续的，一旦供电系统出现故障，将直接影响生产的正常进行，甚至可能导致重大的生产安全事故[1]。因此，供电系统必须具有高度的可靠性和稳定性。煤矿矿井供电系统的特点决定了其在设计、运行和维护中面临许多挑战。

2 煤矿矿井供电系统的现状分析

2.1 电力供需不平衡

电力供需不平衡问题在煤矿矿井供电系统中呈现出复杂性和紧迫性。第一，矿井内的生产设备运行模式常常因矿物开采情况、工作进度等因素而频繁变动，导致电力需求的季节性、日变化性，以及短时波动性，使电力供应难以实现精准预测。第二，矿井作为一个相对封闭的生产系统，其电力需求会因通风、提升、照明等多种设备的耦合作用而表现出复杂的相互影响。第三，由于外部输电线路、变电站容量等外部因素制约，供电系统在应对突发需求增加时难以实现及时的资源调度。电力供需不平衡问题的存在，常常导致电力系统运行时的电压波动、频率偏差等问题，严重影响矿井内设备的正常工作，甚至可能引发重大电力事故。

2.2 供电设备性能

在实际应用中，供电设备的性能问题凸显出多方面的挑战。在矿井供电系统中，不同类型、不同型号的供电设备在技术参数上存在差异，其负载能力、效率等性能指标可能存在较大波动。矿井内的生产设备常常会出现突发负荷变化，供电设备必须具备较强的负载适应能力，以保障系统的稳定性。供电设备性能问题的深入分析不仅需要关注设备的技术指标，还要考虑其在实际运行中的动态特性，以期制定科学合理的性能维护和设备更新方案，确保供电系统持续稳定运行。

2.3 维护与管理不足

在煤矿矿井供电系统的运行中，维护与管理不足问题呈现出一系列值得深入研究的方面。维护保养作为保障系统稳定性和可靠性的重要环节，在实际操作中面临诸多挑战。维护计划的制定往往难以适应设备运行状态的变化，导致存在未及时检修的设备可能仍在运行，进而可能引发潜在故障隐患。维护人员的专业素养和培训状况对维护质量产生直接影响，不足的技术支持可能影响维护效果。缺乏有效的设备状态监测手段，使无法准确评估设备的健康状态，从而限制了精细化的维护管理的实施。维护与管理不足问题可能进一步提高系统故障的风险，并可能导致整体运行效率下降。通过深入分析维护计划制定、维护人员培训，以及设备状态监测等方面的问题，可以为优化供电系统的可靠性和稳定性提供明晰的改进策略。

2.4 能源效率低下

煤矿矿井供电系统的能源效率问题关系到经济效益和资源利用效率，涉及多个环节的能源转化和传输。在供电链中，能源在不同环节中可能产生损耗，导致系统整体能效降低。尤其在高负荷时段，能源的浪费现象越发突出。这种情况不仅增加了企业的经营成本，还对环境产生了不必要的影响。供电系统内的能源损耗问题涉及设备的设计、运行管理等多个层面，需要系统性地分析各环节的能源损耗机制。通过深入分析能源在供电系统中的流动路径、能耗特征，能够准确识别能源损耗的主要来源，为制定有效的技术和管理措施提供重要依据。然而，煤矿矿井供电系统的能源效率低下，其本质在于无功功率的浪费。传统的无功补偿技术采用固定补偿方式，无法根据煤矿矿井供电系统的实际情况和能源消耗特征进行合理选择，无法发挥无功补偿技术的节能作用。

3 无功补偿技术在煤矿供电系统中的具体运用

3.1 提升功率因数

在煤矿供电系统中，无功补偿技术的应用是不可忽视的重要环节。由于煤矿设备多为电动机等感性负荷，其运行会产生大量的无功功率，导致功率因数降低，增加线路损耗，降低供电效率。因此，提升煤矿供电系统的功率因数是提高煤矿能效、降低运营成本的关键。无功补偿技术的运用，可以有效地提高供电系统的功率因数。第一，可以采取集中补偿和分散补偿两种方式。集中补偿是在供电系统的中心节点或主干线上安装大容量的补偿装置，一次性补偿多个负荷；分散补偿是在各个负荷的近旁安装小容量的补偿装置，分别对各负荷进行补偿。通常情况下，会采取两种相结合的方法，以获得最佳的补偿效果。第二，可以根据负荷的性质和变化特点，选择动态无功补偿或者静态无功补偿。动态无功补偿可以实时地根据负荷的变化，调整补偿量，以保持供电系统的功率因数在一个较高的水平。静态无功补偿则是根据负荷的平均水平，提前设定好补偿量，不会随负荷的变化而调整。第三，可以采用并联补偿、串联补偿或者混合补偿。并联补偿是将补偿装置并联在负荷的两端，串联补偿是将补偿装置串联在负荷的一端，混合补偿是将这两种补偿方式结合起来[2]。这些不同的补偿方式，可以根据具体的供电系统情况和负荷特点，灵活选择。第四，可以采用不同类型的补偿装置，如SVC、STATCOM、MSC、LCR 等。这些设备各有特点和适用范围，需要根据具体情况选择适当的设备。综上所述，提升煤矿供电系统的功率因数，可以采取多种方式和设备，灵活选择、合理搭配，才能获得最佳的补偿效果。

3.2 减轻系统过载

在煤矿供电系统中，由于电动机、变频器等感性负荷的广泛应用，系统中的无功功率往往较大，导致线路电压下降，甚至可能引发电力设备过载，影响正常生产。因此，通过无功补偿技术来减轻系统过载，是提高煤矿生产效率、保障生产安全的必要措施。第一，需要正确理解无功功率对系统过载的影响。由于感性负荷产生的无功功率，会导致系统中的实际功率因数下降，从而增加电力系统的输电损耗，降低电能的利用率。由于无功功率的存在，会使电流的有效值增大，对电力设备和电力线路造成较大的负荷，甚至可能超过设备和线路的额定负荷，造成过载。因此，通过无功补偿技术消耗多余的无功功率，可以降低设备和线路的负荷，避免过载。第二，应当注意选择合适的无功补偿装置。常见的无功补偿装置有静止无功补偿装置（SVC）、静止同步补偿装置（STATCOM）、调压变压器（TCR）等。这些装置有各自的特点和适用范围，需要根据具体情况综合考虑。例如，SVC 适用于大范围的功率变化，能够提供快速、连续的无功补偿；STATCOM适用于需要大量无功补偿的场合，能够提供高速、灵活的无功补偿。第三，应当考虑无功补偿的控制策略。可以采用定压控制、定功率控制、定功率因数控制等多种控制策略。定压控制是根据系统电压的变化，调整无功补偿装置的输出，以保持系统电压稳定；定功率控制是根据系统功率的变化，调整无功补偿装置的输出，以保持系统功率稳定；定功率因数控制是根据系统功率因数的变化，调整无功补偿装置的输出，以保持系统功率因数稳定[3]。

3.3 提高电能利用率

由于煤矿设备多为电动机、变频器等感性负荷，其运行会产生大量的无功功率，导致功率因数降低，增加输电损耗，从而降低电能的利用效率。无功功率的存在会使使得电流的有效值增大，对电力设备和电力线路造成较大的负荷，甚至可能超过设备和线路的额定负荷，造成过载。通过定期检查维护设备、使用高效节能设备和使用智能电力管理系统，提高电能利用率的有效措施。第一，定期检查和维护设备。设备的正常运行可以减少能源的浪费和损耗。定期检查电缆、配电柜、开关和其他电力设备的状况，及时修复或更换有问题的设备。第二，使用高效节能的电器设备，选择高效节能的电器设备是提高电力技术使用效率的重要举措。第三，使用智能电力管理系统，智能电力管理系统可以监控和控制电力设备的使用情况，帮助我们更加有效地管理和利用电力资源。

3.4 优化生产能耗

优化生产能耗是煤矿企业降低生产成本、提高经济效益的重要途径。在煤矿的供电系统中，存在着许多感性负荷，如电动机、变频器等，这些设备在运行过程中会产生大量的无功功率，导致供电系统的功率因数下降，进而增加电能损耗，降低电能的利用率。采用无功补偿技术来消耗多余的无功功率，是优化生产能耗的有效措施。第一，需要分析煤矿供电系统的负荷特性。煤矿的电力负荷通常具有以下几个特点。一是负荷变动较大，存在着许多起动、停止、变速等突变负荷；二是负荷分布不均匀，存在着集中负荷和分散负荷；三是负荷性质复杂，存在着感性负荷、阻性负荷、容性负荷等不同性质的负荷。因此，需要根据负荷的具体特性，选择适当的无功补偿方式。第二，需要选择适当的无功补偿装置。常见的无功补偿装置有静止无功补偿装置（SVC）、静止同步补偿装置（STATCOM）、调压变压器（TCR）、电容器补偿装置等。这些装置有各自的特点和适用范围，需要根据具体情况选择。第三，需要考虑无功补偿的控制策略。可以采用定压控制、定功率控制、定功率因数控制等多种控制策略。定压控制是根据系统电压的变化，调整无功补偿装置的输出，以保持系统电压稳定；定功率控制是根据系统功率的变化，调整无功补偿装置的输出，以保持系统功率稳定；定功率因数控制是根据系统功率因数的变化，调整无功补偿装置的输出，以保持系统功率因数稳定[5]。综上所述，通过合理的无功补偿装置选择、控制策略设计，可以有效地消耗多余的无功功率，降低电能损耗，优化生产能耗，从而提高煤矿企业的经济效益和生产效率。